[論文レビュー] Is prokaryotic complexity limited by accelerated growth in regulatory overhead?

Larry Croft, Martin J. Lercher+2 more|ArXiv.org|Nov 15, 2003

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、転写調節遺伝子の数が全遺伝子数の2乗に比例して増加する、規制オーバーヘッドの加速的増加によって、原核生物の複雑性が進化的に制約されていると提唱している。89個の原核生物ゲノムの解析により、このモデルと強い一致が得られ、20,000遺伝子を超えると、各新たな非調節遺伝子に対して1つ以上の追加調節遺伝子が必要になることが予測され、これは経験的に観察された生物学的限界に近い。

ABSTRACT

Increased biological complexity is generally associated with the addition of new genetic information, which must be integrated into the existing regulatory network that operates within the cell. General arguments on network control, as well as several recent genomic observations, indicate that regulatory gene number grows disproportionally fast with increasing genome size. We present two models for the growth of regulatory networks. Both predict that the number of transcriptional regulators will scale quadratically with total gene number. This appears to be in good quantitative agreement with genomic data from 89 fully sequenced prokaryotes. Moreover, the empirical curve predicts that any new non-regulatory gene will be accompanied by more than one additional regulator beyond a genome size of about 20,000 genes, within a factor of two of the observed ceiling. Our analysis places transcriptional regulatory networks in the class of accelerating networks. We suggest that prokaryotic complexity may have been limited throughout evolution by regulatory overhead, and conversely that complex eukaryotes must have bypassed this constraint by novel strategies.

研究の動機と目的

• 規制ネットワークの拡大が、原核生物ゲノムの複雑性に根本的な制限をもたらすかどうかを調査すること。
• ゲノムサイズが増加するに従い、転写調節因子の数が非比例的に増加するかどうかを検証し、規制オーバーヘッド制約を示唆すること。
• ネットワーク制御理論を用いて、原核生物における全遺伝子数と調節因子数のスケーリング関係をモデル化すること。
• モデルの予測を、89種の完全な塩基配列が決定済みの原核生物からの実証データと比較すること。
• 真核生物が、新たな規制戦略を通じてこの制約を回避できた理由を検討すること。

提案手法

• ネットワーク制御と結合性の原則に基づいて、規制ネットワーク成長の2つの理論的モデルを構築した。
• 全遺伝子数の2乗に比例して調節因子数が増加すると予測する2次スケーリング則を導出した。
• 89個の完全な塩基配列が決定済みの原核生物からの実証データにモデルを適用し、定量的整合性を検証した。
• 回帰分析を用いて、多様な原核生物系統における予測された調節因子数と観察されたデータを比較した。
• 新たな非調節遺伝子が追加されるたびに、それに対応する追加調節因子が1つを越えるようになる点を評価し、機能的限界を特定した。
• 規制ネットワーク成長の加速的性質が、ゲノム拡大に対する生物学的制約を生じると提唱した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原核生物において、ゲノムサイズが増加するに従い、転写調節因子の数はどのように変化するか？
• RQ2 規制ネットワークの複雑さは、より大きな、より複雑な原核生物ゲノムの進化をどの程度制限するか？
• RQ3 どのゲノムサイズで、追加の調節因子の必要が、機能的遺伝子の追加を上回り始めるか？
• RQ4 なぜ真核生物は、原核生物で観察された規制オーバーヘッド制約を回避しているように見えるのか？
• RQ5 ゲノムサイズに伴う調節因子のスケーリングは、複雑系におけるネットワーク制御原理によって説明可能か？

主な発見

• 原核生物における転写調節因子の数は、全遺伝子数に2次的に比例しており、ネットワーク制御理論的モデルと整合的である。
• 89個の原核生物ゲノムからの実証データは、予測された2次スケーリング関係と強い定量的整合性を示している。
• モデルは、20,000遺伝子を超えるゲノムでは、各新たな非調節遺伝子に対して1つ以上の追加調節遺伝子が伴うと予測している。
• この予測は、原核生物ゲノムサイズの観察された上限とよく一致しており、規制の限界があると示唆している。
• 規制オーバーヘッドの加速的増加が、原核生物の複雑性に重要な進化的制約をもたらしていると特定された。
• この結果は、真核生物がこの制約を克服するための代替的規制メカニズムを進化させた可能性を示唆している。